第二節 電爆炸箔片雷管

彈藥對電火工品的要求主要有三方面：其一是安全可靠，即防靜電、防射頻、可靠發火；其二是發火能量和尺寸越小越好；其三是高瞬發，作用時間短。對于靠多個推沖器修正彈道的彈藥而言，低能量下的高瞬發發火與火工品的安全可靠具有同樣的重要性。常規金屬橋絲（含膜橋）火工品的發火機理是熱起爆，其高瞬發和高安全性是以發火能量高、外形尺寸大為代價的，采用電爆炸方式的電爆炸箔片雷管具有尺寸小、高瞬發及高安全性，是一種新型高技術雷管。

一、電爆炸箔片雷管概述

電爆炸箔片雷管，又稱為飛片（沖擊片）雷管，其概念最早由勞倫斯利弗莫爾實驗室（LLNL）的Stroud在1965年提出，它是以爆炸橋絲雷管為基礎衍生出來的一種新式雷管，是指以沖擊片為核心的無隔爆爆炸序列以及點火與傳火序列。與橋絲熱起爆不同，爆炸箔起爆（EFI）是通過金屬箔或橋在高能快速脈沖下發生電爆炸的，或通過剪切及驅動一薄塑料片（沖擊片）高速撞擊起爆高密度炸藥使之迅速完成起爆的，所以，爆炸箔起爆器又稱為電爆炸箔片雷管。

美國自20世紀80年代起一直在進行相關基礎理論及工程化應用研究，在電爆炸箔片雷管的基礎上制造出的直列式安保系統已于20世紀90年代后期開始應用，目前已廣泛裝備于“海爾法”“標槍”及陸軍戰術導彈等系統中。

1999年美國EG&G公司光電部為美陸軍反坦克武器平臺研發了一種可靠的低成本密封芯片電爆炸箔片雷管，稱為“藍心”（BlueChip）。該雷管采用現代電子加工技術制造而成，封裝在一個橋塞式標準TO-5型晶體管組件內，所生產的各批雷管具有相當好的一致性。據報道，美國已將該起爆系統應用于BLU105/B型戰術機場襲擊彈、Fog.M.光纖制導導彈、“愛國者”改進型導彈、“陶-2B”重型反坦克導彈、“標槍”反坦克導彈等戰術導彈中。1996年，美國在一篇論文中透露，美國年生產電爆炸箔片雷管約一萬套。

爆炸箔沖擊片技術還可用于點火。采用爆炸箔起爆的導彈、火箭發動機點火序列同樣有著固有的安全型和高可靠性的優勢。1992年，美國國防部在尤馬國家靶場通過了兩種用于火箭發動機點火的直列式點火習題的靶場型號鑒定試驗，同年又頒布了《彈藥火箭和導彈發動機點火習題安全型設計準則》（MIL-STD-1901），這項標準是專門針對直列式點火習題制定的，說明直列式安全點火系統此時已進入實際應用階段。2005年美國49屆引信年會上，研究人員披露了有HNS-IV藥劑爆轟轉爆燃的爆炸箔爆燃點火器。

低能爆炸箔起爆技術更適用于發動機點火，可提高發動機的可靠性和性能，該點火系統就是以高安全的爆炸箔起爆器技術為基礎的。美國的ATK公司戰術系統分部（ATKTSC）研究了一種以低能爆炸箔起爆器為基礎的與起爆器連接的電子系統，其前端的電子線路由指令程序保護、使能和解除保險邏輯、定時，以及振蕩器為基礎的“安全與解除保險邏輯裝置”組成。

此外，研究人員還為固體火箭發動機研制了LIgnitertmHV低能爆炸箔點火器。LIgnitertmHV用的是標準密封殼體、低能爆炸箔橋、飛片和炸藥柱輸入裝藥。國外目前已經開展利用MEMS技術制造電爆炸箔片雷管，由于采用MEMS技術，火工品的體積減小到原來產品的1/17，成本減小到1/4，可靠性提高5～10倍，可從根本上改善安全性和起爆可靠性。

二、電爆炸箔片雷管的特點

由于該系統不需要采用有可移動部件的機械錯位和機電式的隔離機構，因此其安全性主要由高度安全的起爆與點火元件本身及多個獨立環境力控制的電子系統來保障。該系統取消了敏感的起爆藥，不同于傳統的點火序列設計，起爆所需能量較大且只有在特定的強電流、陡脈沖作用下才能起爆，能夠很好地抗射頻和靜電，與其他雷管相比，電爆炸箔片雷管的主要性能特點如下。

（1）不含起爆藥和低密度猛炸藥，采用的藥柱為高密度、低感或鈍感炸藥，是其最大理論密度的90%，如六硝基di（HNS）、1，3，5-三氨基-2，4，6三硝基苯（TATB）等，爆炸橋箔與炸藥不直接接觸，可抗高過載，進一步提高了雷管的安全性。

（2）發火元件橋箔、絕緣沖擊片和加速腔與受主猛炸藥被絕緣層和空氣間隙完全隔離，結構緊湊，具有良好的抗振、抗沖擊和抗過載能力，適用于高的沖擊過載和機械沖擊環境。

（3）起爆閾值能量高（數千伏），可在低溫、靜電、射頻、高空電磁脈沖級雜散電流等惡劣環境下保證安全性，適應未來戰爭的復雜電磁作戰環境。

（4）用于構成直列式傳爆序列，可簡化引信的保險機構。

（5）高瞬發特性，作用時間小于1μs，引爆閾值范圍窄，同時作用的偏差最小為2ns，重復性和同步性好，能滿足各種戰術應用要求，尤其適用于多點起爆系統。

（6）電爆炸箔起爆器中關鍵部件即橋箔是印制電路元件，可以大批量自動化生產，容易制造，制造成本低。到目前為止，美國的爆炸箱起爆器已經商品化和通用化，完全自動生產，不但尺寸大為減小，最低發火能量也從開始時的3.2×10⁴J降低到目前的0.12J（0.1μF，1.5kV）。

三、電爆炸箔片雷管的組成及工作原理

電爆炸箔片雷管的設計主要以兩大原理為基礎：一是給薄的金屬導體在微秒內施加數千安培的強電流脈沖，金屬導體將迅速汽化，產生高溫高壓的等離子體，等離子體驅動飛片撞擊主裝藥；二是Walker和Waslye提出的非均質炸藥短脈沖起爆判據p²·τ=常數，炸藥能否被起爆是由壓力p和壓力持續時間τ兩個因素決定，在電爆炸箔片雷管中，在炸藥特性和飛片材料確定的情況下，壓力主要取決于飛片速度，持續時間主要取決于飛片厚度，對于某些炸藥來說p的指數不為2，而是大于2，如TATB為2.56。

電爆炸箔片雷管系統組成及工作原理如圖2-1所示。其工作原理是電子安全與解除保險裝置解除保險后，脈沖功率源裝置給儲能電容充電至起爆電壓時，觸發脈沖開關，電爆炸箔片雷管的箔橋起爆后形成等離子體推動飛片撞擊高能炸藥，使之起爆。

（一）電子安全與解除保險系統

對直列式起爆系統而言，最有效的控制系統是全電子安全系統。電爆炸箔片雷管雖然有很高的安全性，但由于它與下一級裝藥處于對正狀態，沒有機械隔離裝置，控制系統一旦錯誤地發出了起爆指令，必然導致彈藥的直接起爆，因而對控制系統的要求更為嚴格。電子安全與解除保險系統是采用閾值、順序、時間窗、舉手表決、動態校核、實時監控等控制策略研制的安全系統，是對環境信號接收、分析處理、閾值判斷并控制起爆系統是否動作的電子控制中心。其工作原理是：供電后輔助控制器和主控制器首先進行自檢與初始化，并以計時起點信號作為時間基準，由主控制器和輔助控制器分別對傳感器提供的兩個環境信號進行識別，只有當環境信號全部符合預定要求且達到安全距離后，動態開關才能工作，使高壓變換器對高壓電容器充電。當接收到目標信號時，高壓開關閉合，電容器快速放電，使電爆炸箔片雷管起爆，從而起爆戰斗部。

（二）脈沖功率源系統

在以電爆炸箔片雷管為基礎的直列式傳爆序列中，技術難點集中在能量與質量體積這一對矛盾上。電爆炸箔片雷管起爆需要高壓大電流，即高壓毫微秒脈沖系統。而滿足這一系統的電池、電容器、開關元件、升壓器的體積和質量必須要小型化。這些才是爆炸箔起爆系統實用的基礎。脈沖功率源是對直列式爆炸箔起爆系統體積影響最大的一個部分，系統的體積決定了它能否應用于常規武器。

1997年，美國研制的起爆系統體積為21cm³，2000年為12cm³。

爆炸箔起爆器工藝設計的主要問題是如何提高能量的利用率，在降低對脈沖電流能量要求和使電源體積縮小的同時，減小爆炸箔起爆系統體積，降低爆炸箔起爆器成本，以實現在常規武器上的廣泛應用。

脈沖功率源主要由高壓變換、發火電容和高壓觸發三部分組成。這三部分對脈沖功率源體積的影響都比較大。高壓變換部分主要是變壓器體積，而影響變壓器體積的主要因素則是工作頻率和能量轉換效率。發火電容體積與容量和額定電壓有關。高壓觸發部分主要是觸發管體積。利用高頻開關電路，振蕩頻率在20kHz時，在輸入電壓27V和磁芯材料適當的情況下，次級線圈也需數千匝。考慮到武器系統要求發火電容充電時間越短越好，次級線圈電流應更大一些。同時，數千匝線圈會繞成許多層，層間寄生電容和整個線圈的分布電容會達到數千皮法，該電容相當于接在高壓輸出端上，單位時間內給此電容充放電的能量會非常大。雖然該能量沒有全部損耗掉，卻使初級的開關三極管產生很大損耗和噪聲。使用整流式高壓電路時，會出現穩壓電路部分發熱及效率不高等問題，而采用共振式高壓電源時，上述問題可得到解決。

（三）電爆炸箔片雷管

電爆炸箔片雷管是直列式爆炸箔起爆系統的核心部件，其結構簡單，主要元件有橋箔基片、橋箔、飛片、加速膛及起爆炸藥柱等（見圖2-2）。

電爆炸箔片雷管的作用過程是：當強大的電流脈沖通過金屬橋箔時，橋箔爆炸后產生的等離子體迅速膨脹，并使從加速膛中心孔中剪切下的飛片加速，飛片經過加速膛加速后高速撞擊炸藥柱，當飛片撞擊炸藥產生的入射能量大于炸藥的沖擊起爆臨界能量時，炸藥將起爆。

由于電爆炸箔片雷管起爆能量及起爆電壓均較高，要求有專門的起爆線路，因此，它通常以起爆系統的形式出現，例如，電爆炸箔片雷管與儲能電容器、起爆開關、升壓電路等集成一個整體構成爆炸箔起爆系統；而爆炸箔起爆系統再與電子安全保險系統構成直列式爆炸箔起爆系統。

電爆炸箔片雷管由點火裝置（放電電容器、開關、升壓變壓器、控制電路等）、起爆裝置（基板、金屬箔、沖擊片、加速腔、起爆藥柱）組成。起爆裝置如圖2-3所示。起爆裝置包括高密度始發藥柱（也可以使用熟料黏結炸藥），帶有中心孔的加速腔，蝕刻金屬箔和絕緣沖擊片，金屬箔的細頸部分稱為爆炸箔（亦稱為橋箔）。

電爆炸箔片雷管的工作過程是一個復雜的過程，其起爆機理與爆炸橋絲雷管相近，即電容器供給大電流能源，使金屬箔加熱汽化，發生爆炸，所產生的等離子體流驅動緊貼箔橋的絕緣材料薄膜從加速膛的孔中沖出，成為飛片，飛片穿過加速膛，沖擊在高密度炸藥上。當飛片撞擊炸藥產生的入射能量大于炸藥的沖擊起爆臨界能量時，炸藥將起爆。

從儲能電容器放電、爆炸箔爆炸，到沖擊片運動、起爆始發藥，電爆炸箔雷管歷經了一系列復雜的物理、化學過程，包括三個能量轉換環節：電容器通過金屬箔放電，金屬箔被汽化、擊穿并被加熱至等離子體態；等離子體膨脹、剪切并驅動沖擊片穿過加速腔運動；沖擊片撞擊始發藥并使其爆炸。

四、電爆炸箔片雷管的工作過程

（一）電爆炸現象

導體的電爆炸現象是指當向導體通入足夠大的電流（電流密度達10⁵～10⁹A/cm²）時，通過大電流的歐姆加熱效應使導體在極短的時間內完成固態-液態-氣態至等離子體態的相間轉變現象。在這個相間轉變的過程中，伴隨有光、沖擊波、電磁輻射和電阻值急劇增加等物理現象。

（二）電爆炸過程

電爆炸的發展（見圖2-4）按金屬密度變化的劇烈程度主要分為兩個階段。

（1）開始階段：包括固態金屬的加熱、熔化和液態金屬加熱到開始汽化前的過程，此階段金屬密度變化不大。

（2）爆炸階段：金屬導體體積顯著膨脹，同時其電阻增長幾個數量級。電流快速下降，同時引起導體兩端電壓快速升高，產生旁路擊穿和表面電弧對氣態金屬加熱，形成等離子體，此時導電性顯著增加，電流再次快速增長，此時在熱壓力和磁壓力的共同作用下，出現顯著不穩定性而發生快速膨脹爆炸。

（三）等離子體基礎

等離子體是一種以自由電子和帶電離子為主要成分的物質形態，又稱為第四態，可分為高溫等離子體和低溫等離子體。等離子體的溫度可以用電子溫度和離子溫度表示，兩者相等稱為高溫等離子體，不相等稱為低溫等離子體。

高溫等離子體只有在溫度足夠高時才能發生，恒星能不斷發出這種等離子體，組成了宇宙的99%，日常生活中只能在短時間和局部產生這種等離子體。

低溫等離子體現象在自然界時有表現，諸如大街上的霓虹燈、工業電焊時閃耀的電火花、閃電等，都是等離子體發光的表現。就整個宇宙而言，有99.9%以上的物質都處于等離子體狀態。但在地球上，只有在特殊條件下用專門的裝置才能產生和顯現等離子體。等離子體和處于固態、液態或氣態的常態物質不同，它是物質在電離過程中產生的，是由帶電粒子（電子、離子）、中性粒子組成的一種物質聚集態，是宏觀呈電中性的電離氣體，具有較高的電導率和溫度。產生等離子體的方法有燃燒、爆炸、激光加熱和電激勵等。本裝置中是利用放電方法產生等離子體的，溫度可達10⁴～10⁵K。由于等離子體是氣態物質，因而可壓縮，受熱時體積膨脹，存在壓力、密度的概念。

要想實現沖擊飛片引爆炸藥的目的，必須達到兩個條件：一是給薄的金屬導體在微秒內施加數千安培的強電流脈沖時，金屬導體將迅速汽化或發生電爆炸，產生高溫高壓的等離子體，等離子體驅動飛片；非均質炸藥短脈沖起爆判據p²t=常數，炸藥能否被起爆，由壓力p和壓力持續時間t 兩個因素決定，在電爆炸箔片雷管中，在炸藥特性和飛片材料確定的情況下，壓力p主要取決于飛片速度，時間t主要取決于飛片厚度。

（四）影響電爆炸箔片雷管性能的主要因素

電爆炸箔片雷管主要由起爆裝置、背板、電爆炸箔、飛片、加速膛和炸藥柱組成，其中每一個部件的性能和參數都對電爆炸箔片雷管的性能有著重要的影響。

1.起爆裝置

在電爆炸箔片雷管中，起爆裝置的作用是為電爆炸箔提供能量，引爆爆炸箔，產生高溫高壓的等離子體。起爆裝置的主要元件是一個電容器和一個開關，對于電容器，由于爆炸箔爆炸需要很高的能量，因此電容器的容量應盡可能大，以便儲存更多的電能，同時由于箔爆炸時間很短，超過箔爆炸時間后放出的電能對飛片飛行的速度影響已經不大了，而電容器放電也需要一定時間，所以要求點火裝置的放電周期也應盡可能短，為了降低電容器的放電周期，必須大大降低電容器的電感，因此起爆裝置中的電容器應該是一個低感或無感大容量的電容器，對于開關，也要求其具有足夠快的閉合速度，以及很低的電感；對于整個點火裝置的電路來說，也要求其具有很低的電感，一般不大于幾十納亨，否則，電容器放出的電能將在線路上損失很大，影響爆炸箔的正常起爆。

2.橋箔材料及厚度

爆炸箔是電爆炸箔片雷管中的核心部件，其材料和形狀參數將直接影響雷管的性能。箔爆炸的過程就是箔輸入電流，通過電阻產生熱量，使箔在極短的時間內完成固→液→汽→等離子體四態的相轉變過程，其過程伴有光、沖擊波、電磁輻射和電阻劇增等物理現象。只有當輸入箔的能量大于或等于箔汽化所需的能量時，箔才會發生爆炸，否則箔會像普通熔絲那樣熔化掉。

在選擇箔材料時，原則上任何能夠形成薄膜的導電材料（金屬、半導體）都可用作橋箔材料。人們通常選用導體爆炸時初始電阻率較大，而升華熱較低的導體作為爆炸箔材料，其中Ag、Cu、Al和Au都是較好的電爆炸導體，但Au和Ag很貴重，Al的焊接性能不好，所以通常都選用Cu作為爆炸箔材料。材料選定后，箔的形狀參數也很重要，其中箔的厚度通常在4～75μm，太薄的金屬箔不能提供足夠的膨脹力來驅動飛片，太厚的箔需要的能量太大。箔的爆炸區域一般都采用正方形，尺寸小于1mm×1mm，且要求爆炸區的銅箔厚度均勻，組織致密，無針孔裂紋等缺陷。

3.背板

背板的作用主要有：①限制爆炸箔爆炸產生氣體的空間，防止爆炸箔產生的等離子氣體的散失，使爆炸箔產生的等離子體盡量多地用于形成和驅動飛片；②由于爆炸箔爆炸時要形成沖擊波，沖擊波以爆炸區為中心向四周介質傳播，背板的作用就是將傳遞到背板表面的沖擊波能量再反射回去，以增加用于加速飛片的能量，而不是通過背板材料傳播出去。總而言之，背板的作用就是最大限度地利用爆炸箔爆炸的能量來加速飛片。由于背板同爆炸箔相連，所以必須使用絕緣材料。

4.飛片材料及厚度

電爆炸箔片雷管的飛片材料可使用玻璃、陶瓷、聚酰亞胺膜、各種普通塑料及絕緣介質與金屬的夾層結構等，但試驗結果表明聚酰亞胺膜較為理想。聚酰亞胺的力學性能、耐熱性能、絕緣性能、放電阻抗及與橋箔的貼合性能等方面均符合作為飛片材料的條件。

在材料確定的情況下，飛片的厚度同其在炸藥面上的作用時間成正比關系，但同其速度成反比關系，而速度又決定壓力p的大小，根據p²t要大于等于某一常數炸藥才能起爆的判據。飛片越厚，其作用時間越長，但飛片太厚時，又會導致飛片速度降低。飛片越薄，速度越高，但太薄的飛片在加速膛中不能平穩飛行，且脈寬太窄會影響炸藥起爆感應時間，反而影響炸藥的正常起爆。另外，厚度不均勻時，將影響起爆效果。因此，飛片的厚度及厚度的均勻性是兩個重要的參數。由于飛片受橋箔爆炸的等離子體膨脹驅動，所以，飛片厚度與橋箔厚度有一定的匹配關系。飛片的厚度一般為橋箔厚度的5～10倍。

飛片形成過程，力學特性特別是剪切特性起著主要作用。從能量角度來看，飛片材料與橋箔貼合得越緊，材料阻止橋箔放電的效率越高，橋箔爆炸后所形成的等離子體切割和推動飛片的能量利用率也就越高。

5.加速膛

加速膛也是電爆炸箔片雷管的核心部件之一，加速膛在電爆炸箔片雷管中有三個作用：一是在等離子體的作用下將聚酰亞胺片剪切成與其內徑相等的飛片；二是使飛片在加速膛中加速前進；三是消除橋箔四個角上出現的很高的電壓梯度。在設計加速膛時，要考慮材料、直徑和長度三個因素。

加速膛一般采用絕緣材料或半導體材料，如玻璃纖維、陶瓷、乙酸丁酯纖維、有機玻璃、石英玻璃及藍寶石等。采用藍寶石作加速膛材料時，能將加速膛制得很圓，使之均勻剪切飛片，有助于對準受主炸藥柱，達到較好的起爆效果。

加速膛的直徑一般為橋箔寬度的1.5倍。一方面提高了能量利用率，另一方面對它在橋箔基片上的位置要求不是很嚴格，便于裝配定位。飛片的質量取決于加速膛的直徑大小，因此，一般結合飛片厚度來考慮加速膛的直徑。

加速膛的長度決定了飛片撞擊目標以前運動的距離。加速膛過短，飛片在撞擊炸藥時可能達不到其極限速度。電爆炸箔片雷管加速膛最佳長度為橋箔厚度的50～100倍。

6.起爆藥

炸藥的沖擊起爆閾值不僅與沖擊壓力有關，而且與壓力脈沖持續時間以及加載面積有密切關系。電爆炸箔片雷管對起爆藥的起爆屬于小直徑、短脈沖沖擊起爆，起爆藥的選擇必須滿足如下要求：對持續脈沖沖擊鈍感，對短脈沖敏感；爆轟成長期短，輸出性能好；起爆閾值能量較低，分布散度小；熱安定性好。一般都使用高密度猛炸藥作為起爆藥，藥柱的密度為理論密度的90%～95%，這樣有利于保證藥柱具有一定的強度，便于裝配，還可以承受一定的長脈沖沖擊。可以用作起爆藥的有PETN、HMX、RDX、BTF等猛炸藥。現在國外大多采用比表面積為8～10m²/g的HNS（六硝基芪）炸藥。

（五）電爆炸箔片雷管多點陣列起爆技術

電爆炸箔片雷管多點陣列起爆技術可實現多路多點的定序起爆或同步起爆，其結構如圖2-5所示。其特點是高過載環境安全性好，電磁環境安全性好，同步性好，容易實現起爆點的可選擇性。

為保證彈丸的形狀，提高彈丸的初速，多模EFP需要多點起爆技術來實現其功能。如果在多模EFP彈藥中采用傳統的多點起爆技術，則依靠爆炸網絡或導爆索傳遞爆轟引爆諸多的起爆點，爆炸同時性較差，得不到很好的起爆效果。電爆炸箔片雷管快速作用，作用實際精度高，一般小于1μs，能夠滿足各種戰術應用要求（包括常規侵徹彈藥），特別適用于多點起爆系統。有人將該雷管設計成多點陣列起爆，如圖2-6所示，代替傳統的爆炸網絡，以滿足各種起爆模式及定向EFP彈藥的設計功能要求。